CN111351446B - 一种用于三维形貌测量的光场相机校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于三维形貌测量的光场相机校准方法，对空间中不同位置的校准板和对应的光场原始图像进行校准，获得光场视差图像和三维空间信息的对应关系；利用光场相机拍摄多张散焦柔光纯色校准板，得到光场白图像；根据光场相机白图像计算得到去渐晕矩阵；并且迭代计算得到光场相机微透镜亚像素级中心坐标矩阵；光场相机拍摄多个已知三维空间位置的圆点校准板并进行去渐晕处理；建立从三维坐标到视差之间的光场数学模型，根据光场三维成像规律及圆点三维空间信息拟合计算得到圆点校准对应的圆点中心坐标及视差值本发明能够高效精确地将光场视差图像转为无主镜头畸变的三维空间信息。
Description
技术领域
本发明涉及三维形貌测量技术领域，特别涉及用于三维形貌测量的光场相机校准方法。
背景技术
三维形貌测量技术是机器视觉领域和测量领域的一项核心技术。三维形貌测量是指测量物体表面的三维信息。近年来，光场相机的出现为三维形貌测量提供了新的解决方向。光场相机与传统二维相机最大的差别在于其传感器前增加了微透镜阵列，从而能够实现对空间中光线的传播方向进行记录，从而形成特殊的原始光场图像，对该光场图像进行处理渲染，继而可以得到光场多视角图像，光场重聚焦图像以及光场视差图像。视差图像表示空间中点与光场相机焦平面的相对远近关系，视差与真实空间的深度值存在一定转换关系。基于这种转换关系可以实现通过原始光场图像计算得到真实空间的三维形貌信息。目前，光场深度估计算法通常仅计算得到视差图，极少有人对视差图转到真实三维信息这一过程进行研究，即现有技术都没有公开视差图转换成三维形貌的校准方法或算法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于三维形貌测量的光场相机校准方法，将光场视差图像转为无主镜头畸变的空间三维坐标信息。
本发明所采用的技术方案包含如下步骤：
A1，使用调节光圈匹配后的光场相机拍摄多张散焦柔光纯色校准板，获取光场白图像；
A2，根据光场相机白图像计算得到去渐晕矩阵；
A3，根据光场相机白图像计算得到光场相机微透镜亚像素级中心坐标矩阵；
A4，光场相机拍摄多张已知空间三维位置的圆点校准板并进行去渐晕处理；
A5，建立从三维坐标到视差之间的光场数学模型，根据光场三维成像规律及圆点三维空间信息拟合计算得到圆点校准对应的圆点中心坐标及视差值；
A6，根据光场相机主镜头畸变现象，对校准点坐标添加畸变校正系数，得到校正畸变后校准点中心坐标；
A7，建立从视差图到三维坐标之间的光场数学模型，根据众多校准点畸变校正后坐标及视差值和三维空间位置，拟合得到光场成像尺度校准函数；
A8，通过常规光场深度估计算法处理一般被测物体的原始光场图像计算得到光场视差图像，根据拟合得到的光场成像尺度校准函数，将光场视差图像转为无主镜头畸变的空间三维坐标。
其中，步骤A1中所述的调节光圈匹配为调节光场相机主镜头光圈，使其原始光场白图像的微透镜阵列恰好或近似于相切；光场相机拍摄多张散焦柔光纯色校准板图像，该校准板为位于光场相机散焦处的光强较为均匀的纯色背景板。
其中，步骤A2中所述的去渐晕矩阵为将多张原始光场白图像W(u,v)进行求平均并进行归一化处理后的矩阵
其中，步骤A3中所述中光场白图像通过图像滤波处理首先获得局部最大点作为像素级微透镜中心，根据微透镜排列规律及微透镜形状拟合得到该光场相机微透镜阵列平面偏移量，进而迭代优化计算得到亚像素级微透镜中心。
其中，步骤A4中可以获得圆点校准板上每个点的空间位置P(Px,Py,Pz)；并对校准板原始光场图像进行去渐晕处理。
其中，步骤A5具体为：
建立从三维坐标到视差之间的光场数学模型，圆点校准板上每一个圆点在光场原始图像上均会形成蜂窝状离散的圆斑，其中
表示校准板上圆点中心的像素坐标。基于圆点校准板的原始光场图像和对应的圆点三维空间位置P(Px,Py,Pz)，根据以下公式计算拟合得到校准圆点对应的视差值ddisp：
kdddisp＝Ddf (2)
其中，方程(1)中Si表示主透镜和微透镜间距(mm)；fm表示主透镜的焦距(mm)；fl表示微透镜的焦距(mm)；Pm表示主透镜尺寸(mm)；Ddf表示校准板圆点在原始光场图像的直径(mm)。(a,b,c,d)表示校准板上圆点在世界坐标系下拟合平面的系数,α表示主镜头光圈的修正系数；方程(2)中kd表示视差值对应的放大系数；k1表示相机装配修正系数；kz深度方向修正系数；。
其中，步骤A6具体为：
基于光场校准板圆点图像，根据光场相机主镜头畸变模型，圆点中心坐标
经过畸变校正后为
其中，公式(3)中(u,v)表示光场图像上坐标；(Cu,Cv)表示相机主光轴在图像上的投影坐标；
表示校准圆点中心与主光轴中心的距离；k表示主镜头畸变系数。
其中，步骤A7具体为：
建立从视差图到三维坐标之间的光场数学模型，基于光场校准板圆点三维坐标及步骤A5拟合得到的视差值，根据下列光场相机校准公式，得到三维空间坐标点与光场视差图像的函数关系：
其中，方程(4)中Pp表示像素尺寸(mm)；kmag表示像素坐标对应的放大系数；k1表示相机装配修正系数；kz深度方向修正系数；(x,y)表示光场视差图像对应的像素坐标，
其中，步骤A8中光场深度估计算法为常规的光场深度估计算法，该类算法均可处理原始光场图像得到光场视差图像；将该光场视差图像带入步骤A7拟合计算得到的光场相机校准方程公式(4)，即可得到该被测物体真实的三维空间信息。
本发明的有益效果是：
1、本发明从校准板的原始光场图像直接拟合得到对应圆点的视差值，相对于常规视差计算方法，该方法更加准确高效并且更加适合离散圆点这种拍摄对象。
2、本发明建立了光场相机视差值和无畸变下空间三维坐标信息的对应方程，满足了光场相机三维形貌测量的需要。
3、本发明提出的校准方法高效便捷并且具有更高的精度和普适性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施过程流程图；
图2是本发明实施例中光场相机白图像在不同光圈下的图像；
图3是本发明实施例中圆点校准板拍摄示意图；
图4是本发明实施例中校准板原始光场图像和局部放大图像；
图5是本发明实施例中光场相机光学模型；
图6是本发明实施例中基于最终拟合结果重构的校准板上圆点的三维点云；
图7是本发明实施例中用于验证拟合精度的重投影误差和绝对误差的概率密度分布函数；
图8是本发明实施过程中用于验证校准精度的标准量块三维点云图；
图9是本发明实施过程中用于分析量块三维测量精度分析图表。
具体实施方式
下面结合具体附图及实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。上述都属于本发明的保护范围。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的目的在于提供一种用于三维形貌测量的光场相机校准方法，将光场视差图像转为无主镜头畸变的空间三维坐标信息。
本发明所采用的技术方案如图1所示包含如下步骤：
A1：使用调节光圈匹配后的光场相机拍摄多张散焦柔光纯色校准板，获取光场白图像；其中，调节光圈匹配为调节光场相机主镜头光圈，使其原始光场白图像的微透镜阵列恰好或近似于相切，如图2所示，a图表示光圈过大出现光场相机白图像微透镜相交现象，b图表示光圈过小出现光场相机白图像微透镜相离现象，而c图为光圈较为合适时微透镜相对较近且未出现相交现象；调节光场相机到合适光圈后，根据拍摄物体调节焦距，然后拍摄多张散焦柔光纯色校准板图像，该校准板为位于光场相机散焦处的光强较为均匀的纯色背景板，散焦的目的是为了降低柔光板本身表面散光不均匀的影响。
A2，根据光场相机白图像计算得到去渐晕矩阵；其中，去渐晕矩阵为将多张原始光场白图像W(u,v)进行求平均并进行归一化处理后的矩阵
该过程目的是降低光场图像渐晕效应，提高光场图像本身的亮度均匀性。
A3，根据光场相机白图像计算得到光场相机微透镜亚像素级中心坐标矩阵；其中，光场白图像通过图像滤波处理，对滤波后的图像进行非极大值抑制，获得滤波后白图像的局部最亮点的位置，作为首先获得局部最大点作为像素级微透镜中心，根据微透镜排列规律及微透镜形状，在水平和竖直方向上对获得的透镜中心点所构成的直线进行拟合，得到透镜在水平和竖直方向上的间距以及网格的倾斜角，拟合得到该光场相机微透镜阵列平面偏移量；使用缺省的网格平移量以及求出的准确的网格参数，计算出微透镜中心的坐标，然后求出上述坐标与像素级透镜中心坐标的平均偏移，作为网格平移量进而迭代优化计算得到亚像素级微透镜中心。
A4，光场相机拍摄多张已知空间三维位置的圆点校准板并进行去渐晕处理；其中，在如图3所示拍摄校准板的过程中，由于已知校准板圆点之间的真实相对距离，以及每张校准板图像之间的相对位移，因此可以获得圆点校准板上每个点的空间位置P(Px,Py,Pz)；然后对拍摄得到的多张校准板原始光场图像进行去渐晕处理。
A5，建立从三维坐标到视差之间的光场数学模型，根据光场三维成像规律及圆点三维空间信息拟合计算得到圆点校准对应的圆点中心坐标及视差值；圆点校准板上每一个圆点在光场原始图像上均会形成蜂窝状离散的圆斑，其中
表示校准板上圆点中心的像素坐标；通过提取原始光场中对应的亚像素级微透镜中心点像素，组合形成光场中心视角图像，对该图像进行遍历，加权得到每个校准圆点对应的光场中心视角图像的坐标(x,y)(中心视角图像坐标和视差图像坐标一致)，根据原始光场图像和中心视角图像的对应放大系数，计算得到
基于圆点校准板的原始光场图像和对应的圆点三维空间位置P(Px,Py,Pz)，根据以下公式计算拟合得到校准圆点对应的视差值ddisp：
kdddisp＝Ddf (2)
其中，方程(1)中Si表示主透镜和微透镜间距(mm)；fm表示主透镜的焦距(mm)；fl表示微透镜的焦距(mm)；Pm表示主透镜尺寸(mm)；Ddf表示校准板圆点在原始光场图像的直径(mm)。(a,b,c,d)表示校准板上圆点在世界坐标系下拟合平面的系数,α表示主镜头光圈的修正系数；方程(2)中kd表示视差值对应的放大系数；k1表示相机装配修正系数；kz深度方向修正系数；。
A6，根据光场相机主镜头畸变现象，对校准点坐标添加畸变校正系数，得到校正畸变后校准点中心坐标；基于光场校准板圆点图像，根据光场相机主镜头畸变模型，圆点中心坐标
经过畸变校正后为
其中，公式(3)中(u,v)表示光场图像上坐标；(Cu,Cv)表示相机主光轴在图像上的投影坐标；
表示校准圆点中心与主光轴中心的距离；k表示主镜头畸变系数。
A7，根据众多校准点畸变校正后坐标及视差值和三维空间位置，拟合得到建立从视差图到三维坐标之间的光场数学模型；基于光场校准板圆点三维坐标及步骤A5拟合得到的视差值，基于该光场数学模型，得到三维空间坐标点与光场视差图像的函数关系：
其中，方程(4)中Pp表示像素尺寸(mm)；kmag表示像素坐标对应的放大系数；k1表示相机装配修正系数；kz深度方向修正系数；(x,y)表示光场视差图像对应的像素坐标，
A8，通过常规光场深度估计算法处理一般被测物体的原始光场图像计算得到光场视差图像，根据拟合得到的光场成像尺度校准函数，将光场视差图像转为无主镜头畸变的空间三维坐标。其中，光场深度估计算法为常规的光场深度估计算法，该类算法均可处理原始光场图像得到光场视差图像；将该光场视差图像带入步骤A7拟合计算得到的光场相机校准方程公式(4)，即可得到该被测物体真实的三维空间信息，图6为校准板圆点经过校准后计算得到的三维点云。
下面结合理论误差分析和一个具体实现例对本发明实施所述方法进行论述。
在相机校准算法的研究中大多采用重投影误差来评价校准算法和校准模型的精度。此时，本发明分别采用重投影误差和实现例标准量块高度差验证进行校准算法精度分析。
本光场校准模型的重投影误差分析过程包含如下步骤：
首先进行步骤A1-A8将校准板上的圆点中心进行三维重建，获得如图3所示的三维点云分布图，图中平面表示其中一张校准板所在的空间位置；图7.a表示重建的三维点阵和真实的三维点阵的空间坐标的绝对误差的概率密度函数(PDF)，其中误差主要分布在0.05mm以内，均方平均误差为0.0027mm。
然后将该三维空间点云通过光场相机光学模型重新投影到图像坐标系，投影过程中加入畸变系数，形成重投影原始光场图像。如图7.b所示分别统计图像坐标系中x方向误差(error-x)、y方向误差(error-y)和绝对误差(error-ab)的概率密度函数(PDF)，其中平均绝对误差为0.114个像素，绝对误差主要分布在0.4个像素以内，x、y方向的误差主要分布在0.2个像素以内。
在具体实施例中，本发明选取5个标准量块进行测量，如图8.a所示五个量块高度分别为1、2、3、4和5mm。具体计算步骤如上文所述执行步骤A1至A8，在执行步骤A8的过程中对量块进行拍摄光场图像，并采用常规光场深度估计算法计算得到视差图，使用A7中的光场尺度校准方程进行校准，将视差图转化为如图8.b所示的三维点云。如图9所示对该三维点云进行分析，以1mm量块作为基准面计算高度误差，整体高度误差低于50μm，相对误差低于5％。该实施例的误差证明了该发明的准确性及高效性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供上述计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
上述计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
上述计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于三维形貌测量的光场相机校准方法，其特征在于，包含以下步骤：
A1，使用调节光圈匹配后的光场相机拍摄多张散焦柔光纯色校准板，获取光场白图像；
A2，根据光场相机白图像计算得到去渐晕矩阵；
A3，根据光场相机白图像计算得到光场相机微透镜亚像素级中心坐标矩阵；
A4，光场相机拍摄多张已知空间三维位置的圆点校准板并进行去渐晕处理；
A5，建立从三维坐标到视差之间的光场数学模型，根据光场三维成像规律及圆点三维空间信息拟合计算得到圆点校准对应的圆点中心坐标及视差值；
A6，根据光场相机主镜头畸变现象，对校准点坐标添加畸变校正系数，得到校正畸变后校准点中心坐标；
A7，建立从视差图到三维坐标之间的光场数学模型，根据众多校准点畸变校正后坐标及视差值和三维空间位置，拟合得到光场成像尺度校准函数；
A8，通过常规光场深度估计算法处理一般被测物体的原始光场图像计算得到光场视差图像，根据拟合得到的光场成像尺度校准函数，将光场视差图像转为无主镜头畸变的空间三维坐标。
2.根据权利要求1所述的三维形貌测量的光场相机校准方法，其特征在于，步骤A1中所述的调节光圈匹配为调节光场相机主镜头光圈，使其原始光场白图像的微透镜阵列恰好或近似于相切；光场相机拍摄多张散焦柔光纯色校准板图像，该校准板为位于光场相机散焦处的光强较为均匀的纯色背景板。
3.根据权利要求1所述的三维形貌测量的光场相机校准方法，其特征在于，步骤A2中所述的去渐晕矩阵为将多张原始光场白图像W(u,v)进行求平均并进行归一化处理后的矩阵
4.根据权利要求1所述的三维形貌测量的光场相机校准方法，其特征在于，步骤A3中所述中光场白图像通过图像滤波处理首先获得局部最大点作为像素级微透镜中心，根据微透镜排列规律及微透镜形状拟合得到该光场相机微透镜阵列平面偏移量，进而迭代优化计算得到亚像素级微透镜中心。
5.根据权利要求1所述的三维形貌测量的光场相机校准方法，其特征在于，步骤A4中可以获得圆点校准板上每个点的空间位置P(PX,Py,PZ)；并对校准板原始光场图像进行去渐晕处理。
6.根据权利要求1所述的三维形貌测量的光场相机校准方法，其特征在于，步骤A5具体为：
建立从三维坐标到视差之间的光场数学模型，圆点校准板上每一个圆点在光场原始图像上均会形成蜂窝状离散的圆斑，其中表示校准板上圆点中心的像素坐标，基于圆点校准板的原始光场图像和对应的圆点三维空间位置P(PX,Py,PZ)，根据以下公式计算拟合得到校准圆点对应的视差值ddisp：
kdddisp＝Ddf (2)
其中，方程(1)中Si表示主透镜和微透镜间距；fm表示主透镜的焦距；f1表示微透镜的焦距；Pm表示主透镜尺寸；Ddf表示校准板圆点在原始光场图像的直径，(a，b，c，d)表示校准板上圆点在世界坐标系下拟合平面的系数，α表示主镜头光圈的修正系数；
方程(2)中kd表示视差值对应的放大系数；k1表示相机装配修正系数；kz深度方向修正系数。
7.根据权利要求1所述的三维形貌测量的光场相机校准方法，其特征在于，步骤A6具体为：
基于光场校准板圆点图像，根据光场相机主镜头畸变模型，圆点中心坐
经过畸变校正后为
其中，公式(3)中(u，v)表示光场图像上坐标；(Cu,Cv)表示相机主光轴在图像上的投影坐标；
表示校准圆点中心与主光轴中心的距离；k表示主镜头畸变系数。
8.根据权利要求1所述的三维形貌测量的光场相机校准方法，其特征在于，步骤A7具体为：
建立从视差图到三维坐标之间的光场数学模型，基于光场校准板圆点三维坐标及步骤A5拟合得到的视差值，根据下列光场相机校准公式，得到三维空间坐标点与光场视差图像的函数关系：
其中，方程(4)中PP表示像素尺寸；kmag表示像素坐标对应的放大系数；k1表示相机装配修正系数；kz深度方向修正系数；(x，y)表示光场视差图像对应的像素坐标，
9.根据权利要求8所述的三维形貌测量的光场相机校准方法，其特征在于，步骤A8中光场深度估计算法为常规的光场深度估计算法，该类算法均可处理原始光场图像得到光场视差图像；将该光场视差图像带入步骤A7拟合计算得到的光场相机校准方程公式(4)，即可得到该被测物体真实的三维空间信息。
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